基于块体理论的围岩稳定性分析及数值模拟研究

岩体的完整性及节理裂隙的发育程度是影响围岩稳定性的主要因素。潜在失稳块体将引起围岩掉块、剥落、滑移甚至坍方等失稳现象。以小三岔口隧道为依托,基于块体理论研究,借助围岩结构分析和数值模拟相结合的方法,从岩体结构特征入手,定位隧道开挖潜在失稳区域,寻找可动块体,确定关键块体,深入分析围岩失稳变形模式,揭示无支护条件下围岩的变形、受力特征并提出针对性施工建议。研究结果显示:岩体节理裂隙发育、节理面相互切割成不利组合和岩块结构面结合性差是围岩失稳的根本原因;关键块体的运动是造成围岩失稳的直接原因。     

地下水封洞库围岩块体稳定性与支护可靠性分析

结构面的几何参数和力学参数随机分布导致岩体工程的稳定性具有高度不确定性.以我国某地下水封石油储备库项目为背景，把结构面倾向、倾角、黏聚力及内摩擦角作为随机变量，运用可靠度理论，在数值模拟的基础上，研究了围岩块体稳定性和支护系统可靠性，并对支护参数进行检验与优化.结果表明：Ⅰ～Ⅳ级围岩块体稳定性可靠度指标分别为4.23,1.68,0.65和-0.07;对Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级围岩块体采取支护措施后，可靠度指标分别为3.3,3.0和2.0;并对其支护间排距进行优化，推荐值分别为2.8,2.0和1.6 m.     

溧阳水电站地下厂房开挖破坏机理数值模拟研究

为研究溧阳水电站地下洞室开挖围岩稳定性,以地下厂房开挖时提供的地质条件和勘察资料为基础,结合完整岩块的强度试验成果,采用颗粒流数值模拟方法研究厂房在破碎岩体中开挖的破坏机理.研究表明,颗粒离散元方法可以较好地模拟地下洞室开挖情况;联合开挖时,出现明显的贯通变形区,且并非距离开挖面越近围岩变形越大;厂房开挖破坏模式为岩体结构控制型破坏,其导致围岩破坏的决定性因素是岩体结构特征.     

大跨度地下洞室围岩结构面空间展布的确定性研究

以某电站大型地下厂房主变洞为例,研究了大型地下洞室围岩结构面的空间尺度各指标的关系、相关方程的建立、可视化图形展示以及在洞室拱顶与边墙出露位置的确定,从而得出结构面在洞室周边出露的确定性信息.这些确定性的信息将是大型洞室组合块体的确定、确定性块体稳定性评价、围岩岩体质量分类、围岩二次应力计算的基础,同时也为设计和施工技术人员提供了较准确可靠的地质依据.     

高地应力砂板岩区岩锚梁精细化开挖技术研究

两河口水电站地下厂房处于高地应力砂板岩区,厂区第一主应力与厂房轴线大角度相交,应力集中释放破坏岩体问题突出,且存在优势裂隙发育不利于块体稳定等地质问题,导致厂房岩锚梁开挖施工难度大、成型质量难控制.开挖中严格遵循"薄层开挖、随层支护"原则,通过1∶1精细化爆破实验优选爆破参数并严控爆破钻孔质量;严格遵循"先固后挖"原则,根据地下厂房洞室群围岩稳定速监测与反馈分析成果进行支护参数动态调整、采取预加固措施等严格控制围岩变形,确保了岩锚梁开挖优质成型.岩锚梁精细开挖技术在砂板岩地区的施工控制措施全过程的详细介绍为同类工程提供了参考.     

层状岩体中地下厂房围岩施工力学行为研究

对缓倾角层状岩体中的大型地下厂房施工力学行为进行了综合研究.详细分析了开挖过程中主厂房围岩不同部位(包括顶拱、上下游边墙)的现场监测资料,并借助基于非连续介质理论的离散元程序UDEC,综合分析了围岩的变形特征、剪位移分布、围岩应力分布、塑性区分布和锚杆轴力分布等岩体力学行为.结果表明,结构面(如软弱夹层、层面和节理裂隙等)是控制围岩变形的主要因素,软弱夹层的存在控制了围岩剪位移、应力和塑性区的分布,是导致锚杆轴力增大的主要因素,实时监测资料和理论计算成果吻合良好.     

大型地下厂房洞室群围岩开挖松弛效应与渗透性演化特征

锦屏一级水电站地下厂房洞室群开挖规模巨大,赋存于极高至高地应力和低强度岩体环境下,且受f13、f14、f18断层切割,其围岩稳定性将成为影响工程安全和正常运行的重要因素之一.结合现场声波监测资料,采用裂隙岩体等效弹塑性本构模型以及基于Hoek-Brown参数的偏应力破坏准则对开挖松弛区进行模拟与评价.此外,重点关注洞室群围岩在地下厂房开挖过程中渗透特性的演化,并采用SVA方法对其防渗排水措施的渗控效应进行分析与评价.研究结果表明:采用塑性屈服区以及偏应力破坏准则表征围岩开挖松弛效应是合理的,高地应力、低强度应力比是造成锦屏一级地下厂房围岩开挖松弛区较大的主要原因;洞室群围岩在地下厂房开挖过程中渗透特性可增大3个数量级,影响范围达35m;围岩渗透特性演化对渗流场具有显著影响,影响程度取决于与洞室群的距离以及防渗排水措施的渗控效应.     

地下洞室中裂隙岩体围岩稳定性研究的模糊信息优化处理方法

基于地下洞室工程中裂隙岩体围岩分类及稳定性分级的实际资料,选取岩石单轴抗压强度、岩体ＲＱＤ值、裂隙间距、声波纵波波速等重要影响因素,运用模糊信息优化处理技术,建立了一套裂隙岩体围岩稳定性分级的评价方法;并应用于某水电工程地下厂房的围岩稳定性评价,体现了该方法简单、快速的特点。     

地下水渗流作用下地下洞室块体稳定性分析

地下岩体经不同尺度、产状的结构面切割形成不同尺度、形态的块体。地下洞室开挖后,围岩的应力场和渗流场发生耦合作用,地下水通过结构面向洞室方向渗流,经力学、物理及化学作用,易发生块体失稳现象。该文利用极限平衡法计算有无地下水渗流作用下楔形体的稳定系数,得到地下水会降低楔形体的稳定系数;再借助3DEC数值软件模拟有无地下水渗流作用下的洞室开挖,对比分析有无渗流作用下楔形体附近围岩应力场、位移场和塑性区的变化规律。结果表明,渗流状态下洞室开挖后,楔形体的位移增大,楔形体周边围岩应力减小、塑性区增大,进一步验证了地下水的渗流作用会降低地下洞室的围岩稳定性。     

基于EFAST法的地下洞室静动力稳定参数全局敏感性分析

进行地下洞室静动力稳定参数敏感性的研究,可为地下洞室结构喷锚支护设计提供科学决策依据.本文采用基于全局敏感性分析的EFAST法对地下洞室在静力边界下围岩的应力、变形的参数敏感性进行了分析,并对有限元法与离散元法计算得到的敏感性结果作了对比分析.采用有限元法与块体理论,对块体的稳定性进行了分析,并采用EFAST法研究了块体受围岩岩体参数影响的动力敏感性.结果表明,在静力边界下弹性模量对围岩变形影响的敏感性最大、内摩擦角对洞室最大主应力影响的敏感性最大;对影响块体滑移的岩体参数的动力敏感性分析结果表明,得到的总体全局敏感性较大、一阶全局敏感性较小,表明块体滑移受单一岩体参数变化的影响程度较小,受多种岩体参数的联合作用的影响程度较大.     

宁波某跨海大桥锚碇边坡稳定性评价

宁波某跨海大桥一侧锚碇位于里癞头礁上,该岛礁岩性为凝灰岩,层间强度较低,加之构造裂隙发育,受海浪冲刷,海蚀沟槽发育,锚碇加载后边稳定与否将是制约跨海大桥规划的关键环节。文章在查明边坡工程地质条件基础上,选用岩性、岩体结构、风化状况、结构面特征等作为控制因素对边坡进行岩体质量分级,并研究不同埋深下岩体质量的分布规律,为建基面的选择提供建议,进而定量评价斜坡在锚拉荷载下的稳定性。结果表明,岩体质量主要以Ⅲ1级和Ⅲ2级为主,局部含Ⅳ级岩体。在天然和负荷条件下,工程边坡均是稳定的,但锚碇向宁波侧后移更有利于边坡的稳定。     

开挖过程中隧洞围岩应力主轴旋转及其对围岩破坏模式的影响

采用扩展有限元法(XFEM),通过模拟岩体初始裂隙,研究应力主轴旋转变化下的岩体裂隙扩展模式;以某地下隧洞工程为例,分析隧洞开挖过程中不同部位围岩主应力旋转变化情况;结合应力旋转下岩体裂隙扩展模式,研究这种变化对围岩破坏的影响。研究结果表明:应力方向的旋转会造成围岩中初始裂隙在扩展深度和扩展方向上发生明显变化;在隧洞开挖过程中,洞顶附近岩体的应力方向则在旋转一定角度后即恢复初始方向,边墙附近岩体主应力最大旋转角度接近90o;受应力主轴旋转影响,不同类型岩体宏观上表现为不同的破坏模式,在实际工程中应予以关注。     

节理岩体中隧洞围岩的损伤破坏机理

结合细观节理形态的变化,在二轴围压条件下,数值模拟了节理岩体中隧洞围岩损伤破坏过程,研究了节理岩体中隧洞围岩体的破坏机理,分析了岩体中节理倾角对隧洞围岩稳定性的影响规律.结果表明:裂隙的产生和发展延伸主要是拉应力的作用,裂隙延伸方向大致与节理面垂直;节理倾角较小时,岩体中破裂以垂直于节理面的拉裂隙为主;节理倾角较大时,岩体裂隙以沿节理面的滑动裂隙为主;不同倾角的节理面对岩体破坏的脆性也有较大影响;岩体破坏前有大量微裂隙产生,同时伴随着声发射能量的释放,利用微震监测技术抓住这些微破裂前兆信息,能够较好地进行隧洞塌方、冒顶、岩爆等灾害预测,提前做好支护等应对措施,以保障人员、设备安全.     

基于离散元地下厂房围岩变形破坏特征分析

为了研究结构面对中等地应力区地下厂房开挖过程中应力调整以及围岩变形破坏的影响,以某抽水蓄能电站地下厂房为研究对象,采用离散元软件3DEC对其开挖过程进行仿真计算.研究表明:在开挖断面不大时,掌子面附近的结构面会阻挡围岩应力向深部的调整,加剧拱脚处的应力集中程度,使围岩以应力型破坏为主;当开挖断面增大,围岩卸荷松弛明显,结构面控制型破坏将逐渐占优;用3DEC模拟出的陡倾型结构面的张开是围岩位移产生的主要原因,且其张开位移受前几期的开挖影响较大.研究成果可为类似陡倾角大跨度地下工程开挖的稳定性分析及支护设计提供借鉴.     

大型地下洞群时空双系列反馈分析

地下水电站的厂房系统大多由纵横交错的复杂洞群组成,洞群施工过程中以及运行期围岩的稳定性是工程成败的关键。该文跟踪我国某地下水电站厂房洞群的施工过程,采用模式搜索优化技术和节理裂隙岩体模型非线性有限元方法,编制了Ｃ＋＋反馈分析控制程序ＮＡＰＡＲＭ９６,利用地下厂房监测系统提供的实测信息,对厂房洞群从时间和空间两个系列进行了仿真和位移反馈分析,得出了较为符合规律的结果。介绍了此项研究的阶段成果,并且对高地应力节理岩体中的地下洞群的施工稳定性问题提出了具有一定参考价值的建议。     

断层产状对围岩稳定性影响的敏感度分析

岩体裂隙及断层破碎带等地质结构面对地下洞室围岩稳定性具有重要的影响,断层破碎带与洞轴线的相对空间位置是一关键因素.以西南某水电站导流洞为工程背景,采用数值模拟手段来研究断层走向及倾角对隧洞围岩稳定的影响.计算结果表明:断层走向越小,倾角越大,洞周围岩的稳定性越好;应加强断层附近洞顶和洞底的支护措施.研究成果可以为类似工程的布置和设计提供理论依据.     

裂隙岩体巷道顶板失稳的块体力学分析与支护强度设计

受完全切割性裂隙影响的地下岩体巷道顶板失稳问题具有与众不同的显著特点,由贯通性构造裂隙切割形成的块体结构形状以及裂隙弱面的强度性质决定着顶板的变形破坏过程和支护强度确定.应用关键块体的力学基础理论,研究了顶板岩体常见的"楔形块体"和"六面体块体"失稳准则和滑动力大小,由此探讨了该条件下合理支护强度参数的设计确定,用2个现场实例证明了该设计方法的实用性.图5,参6.     

某水电站工程岩体裂隙面抗剪强度研究

水电站工程技术研究中,岩体裂隙抗剪强度参数是岩体稳定性非常重要的参数之一.以某水电站工程为例,为了提供工程边坡和地下洞室围岩岩体稳定性研究所需的裂隙抗剪强度参数,采取钻孔微新状岩体裂隙面芯样,进行室内直剪试验,并据Barton经验公式估算,对此两种方法结果对比分析.试验结果表明,Barton经验公式对平直稍粗糙型裂隙面抗剪强度参数估算结果与室内直剪试验结果基本一致,但对稍起伏稍粗糙型裂隙面抗剪强度参数估算结果与室内直剪试验结果偏差较大,分析认为该经验公式不适用于对高法向应力状态下JRC值偏大的硬性裂隙面抗剪强度的估算.     

水平应力与裂隙密度对顶板安全厚度的影响

将地下空区顶板视为梁模型,采用结构稳定理论,建立水平应力与地下空区项板安全厚度之间的关系;以裂隙张量为基础,将岩体中的裂隙看作初始损伤,对含随机分布裂隙的顶板岩体进行分析,推求裂隙岩体的等效变形模量和等效泊松比,从而建立地下空区项板厚度与岩体裂隙密度之间的关系,并探讨水平应力与岩体裂隙密度对地下空区顶板厚度的影响.研究结果表明:地下空区顶板厚度与水平应力及岩体裂隙密度具有较大的相关性,最小安全厚度随着水平应力的增大而增大,当水平应力由0 MPa增加到15 MPa时,对安全厚度的影响较大;当水平应力大于15 MPa时,随着水平应力的增大,安全厚度的增加幅度较小;最小安全厚度随着岩体裂隙密度的增大而增大,安全厚度与裂隙密度近似呈直线关系.     

离散裂隙网络模拟在地下硐室稳定性中的应用——以甘肃北山地下实验室为例

以甘肃北山地下实验室为研究对象,开展了离散裂隙网络-离散元（DFN-DEM）耦合方法在花岗岩地下硐室围岩稳定性分析方面的探索研究。选取地下实验室工程勘察范围内代表性勘察钻孔和地表露头裂隙数据进行统计分析,利用三维离散单元软件3DEC构建离散裂隙网络（DFN）和等效岩体模型,模拟分析了地下实验室-560 m水平试验巷道的硐室的稳定性。结果表明：硐室开挖引起硐室围岩应力重分布,裂隙与硐室开挖面相交部位发生应力集中现象,硐室围岩出现位移变形;在现有条件下,硐室围岩变形量较小,应力集中程度不高,地下硐室稳定性较好。